基于A(yíng)I控制器的人工智能教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王峰

【摘 要】本文以制作智能臺(tái)燈和避障小車(chē)實(shí)驗(yàn)為例，探討了AI控制器在人工智能教育中的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生了解AI技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，使其提高編程能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

【關(guān)鍵詞】AI控制技術(shù)；人工智能；教學(xué)設(shè)計(jì)；智能臺(tái)燈；避障小車(chē)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）07-056-02

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，人工智能教育也逐漸與智能設(shè)備相結(jié)合，為學(xué)生提供更加豐富的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。與此同時(shí)，AI控制技術(shù)的應(yīng)用也逐漸引起人們的關(guān)注。本文提出一種使用AI控制器進(jìn)行人工智能教學(xué)的方法，并以制作智能臺(tái)燈和避障小車(chē)為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。智能臺(tái)燈項(xiàng)目展現(xiàn)了AI控制器具備單片機(jī)的控制能力，而避障小車(chē)項(xiàng)目體現(xiàn)了AI控制器先進(jìn)的拓展功能及其在人工智能教學(xué)中的應(yīng)用前景。

AI控制器在人工智能教育中的應(yīng)用

本研究以華東師范大學(xué)出版社出版的《AI上未來(lái)智造者—中小學(xué)人工智能精品課程系列叢書(shū)（2018年版）》中的“AI上智慧生活”主題二“智能臺(tái)燈”和主題十一“智能掃地車(chē)”案例為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行修改完善，并應(yīng)用于五年級(jí)學(xué)生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。AI控制器不僅可以幫助學(xué)生了解智能臺(tái)燈和避障小車(chē)的實(shí)現(xiàn)原理，還可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際能力需求分別設(shè)置初級(jí)和高級(jí)實(shí)驗(yàn)。

在智能臺(tái)燈初級(jí)實(shí)驗(yàn)中，可以利用聲音傳感器和亮度傳感器控制燈的開(kāi)關(guān)，學(xué)生可以通過(guò)調(diào)整傳感器的敏感度來(lái)觀(guān)察燈的開(kāi)關(guān)變化；而高級(jí)實(shí)驗(yàn)可以開(kāi)發(fā)語(yǔ)音指令控制燈的開(kāi)關(guān)，學(xué)生可以編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)聲音指令的識(shí)別和控制。這樣的實(shí)驗(yàn)不僅能提高學(xué)生的編程能力，還能逐步培養(yǎng)他們對(duì)人工智能應(yīng)用的興趣和意識(shí)。

在制作避障小車(chē)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以利用紅外傳感器和超聲波雷達(dá)傳感器進(jìn)行避障，開(kāi)展初級(jí)實(shí)驗(yàn)可以讓小車(chē)自動(dòng)前進(jìn)并避開(kāi)障礙物，而高級(jí)實(shí)驗(yàn)則可以讓小車(chē)在不同場(chǎng)景下進(jìn)行智能避障和路徑規(guī)劃。學(xué)生通過(guò)調(diào)整傳感器的角度和距離，觀(guān)察小車(chē)的行駛路線(xiàn)和避障效果，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，還有助于培養(yǎng)他們的空間想象力和創(chuàng)新思維。

綜上所述，AI控制器是一種具有教學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值的電子設(shè)備，可以幫助學(xué)生了解人工智能技術(shù)并提高他們的創(chuàng)造能力和問(wèn)題解決能力。

智能臺(tái)燈實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及制作

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：利用AI控制器，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)根據(jù)聲音大小調(diào)節(jié)亮度的智能臺(tái)燈。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：準(zhǔn)備材料有一塊亮度傳感器、一個(gè)聲音傳感器、兩個(gè)LED眼燈和一個(gè)AI控制器，以及相應(yīng)的導(dǎo)線(xiàn)和配件等。該過(guò)程分為以下步驟。

步驟一：準(zhǔn)備工作。組裝電路并將AI控制器與電腦連接，利用圖形化的編程軟件進(jìn)行配置。

步驟二：對(duì)傳感器及LED眼燈初始化設(shè)置，包括聲音和亮度的數(shù)值以及初始化狀態(tài)等。

步驟三：制作聲音傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控。在程序中加入聲音傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控語(yǔ)句，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境中有聲音時(shí)，記錄聲音大小的數(shù)值。

步驟四：制作亮度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控。在程序中加入亮度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控語(yǔ)句，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境光線(xiàn)暗時(shí)，記錄亮度大小的數(shù)值。

步驟五：調(diào)節(jié)LED眼燈亮燈模式。根據(jù)聲音大小和外部光線(xiàn)亮度強(qiáng)弱，通過(guò)AI控制器控制LED眼燈的顯示方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得LED眼燈亮度隨聲音大小、外部光線(xiàn)亮度強(qiáng)弱變化而變化。

通過(guò)以上步驟，學(xué)生可以成功制作一個(gè)由聲音大小調(diào)節(jié)亮度的智能臺(tái)燈，并通過(guò)AI控制器實(shí)現(xiàn)了聲音信號(hào)的接收處理和控制信號(hào)的輸出。由此，學(xué)生掌握了相關(guān)的程序編寫(xiě)技術(shù)，能夠更加深入地了解人工智能中傳感器和執(zhí)行器的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，理解生活中的智能照明系統(tǒng)的工作原理。

避障小車(chē)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及制作

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：利用AI控制器，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能自主避障的避障小車(chē)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：實(shí)驗(yàn)材料有一個(gè)AI控制器、一個(gè)舵機(jī)、兩個(gè)電機(jī)、一個(gè)超聲波雷達(dá)傳感器、相關(guān)配件和導(dǎo)線(xiàn)等。該過(guò)程分為以下步驟。

步驟一：硬件組裝。將電機(jī)、超聲波傳感器、舵機(jī)等設(shè)備進(jìn)行正確組裝并與AI控制器連接好。組裝完畢后，對(duì)控制器進(jìn)行初始化并進(jìn)行設(shè)置工作。

步驟二：超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控制作。在程序中加入超聲波雷達(dá)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控語(yǔ)句，讀取傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)的距離信息。

步驟三：避障程序控制。根據(jù)超聲波傳感器檢測(cè)到的距離信息，舵機(jī)對(duì)小車(chē)的前進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整，使小車(chē)能夠避開(kāi)障礙物并保持行駛方向。

步驟四：小車(chē)前進(jìn)和停止控制。編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)小車(chē)前進(jìn)和停止的控制，根據(jù)超聲波傳感器檢測(cè)到的距離信息，判斷小車(chē)是否需要停止或前進(jìn)，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。

步驟五：智能避障和路徑規(guī)劃程序控制（高級(jí)實(shí)驗(yàn)）。在基本的避障功能上，可以加入路徑規(guī)劃和智能避障功能。利用AI算法設(shè)計(jì)一個(gè)最優(yōu)路徑規(guī)劃程序，并將之與避障程序相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)小車(chē)在不同場(chǎng)景下進(jìn)行智能避障和路徑規(guī)劃。

步驟六：測(cè)試實(shí)驗(yàn)。將小車(chē)系統(tǒng)連接至電源，上傳程序控制器，進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，調(diào)試參數(shù)。如果小車(chē)可以自主避開(kāi)障礙物、前進(jìn)和停止，并且在高級(jí)實(shí)驗(yàn)中可以智能避障和路徑規(guī)劃，那么實(shí)驗(yàn)就成功了。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，既有硬件的組裝與連接，也有軟件程序的編寫(xiě)和調(diào)試，這可以讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)。此外，AI技術(shù)在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，此類(lèi)實(shí)驗(yàn)也有重要的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié) ?論

可視化編程與傳感器的綜合應(yīng)用在人工智能教學(xué)中可以帶來(lái)以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）提高學(xué)習(xí)興趣?？梢暬幊炭梢酝ㄟ^(guò)圖形化的方式幫助學(xué)生更好地理解人工智能原理及相關(guān)算法，從而激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)編程能力。

（2）豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)傳感器實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更加直觀(guān)地掌握數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)技能，同時(shí)也可以激勵(lì)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新思維，設(shè)計(jì)更好玩、更實(shí)用的應(yīng)用系統(tǒng)。

（3）提高實(shí)驗(yàn)效果。傳感器可以實(shí)現(xiàn)智能感知功能，可以獲取多樣的環(huán)境信息，因此可以讓學(xué)生更加直觀(guān)地了解傳感器和人工智能技術(shù)的應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，從而深入掌握實(shí)驗(yàn)原理。

（4）培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新意識(shí)。在課程設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)合作來(lái)共同解決實(shí)際問(wèn)題。此外，在實(shí)驗(yàn)中需要學(xué)生自主思考、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用可視化編程、傳感器等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，從而培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)及實(shí)際運(yùn)用技術(shù)的能力。

基于A(yíng)I控制器技術(shù)的教育可以激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的興趣，同時(shí)為學(xué)生提供在實(shí)際生活中的制作選擇，比如設(shè)計(jì)制作帶有傳感器的實(shí)用小工具或者系統(tǒng)，如智能家居等。這樣，學(xué)生可以從中產(chǎn)生很多有意義的創(chuàng)新作品，進(jìn)而應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和生活中，創(chuàng)造更大的價(jià)值。

未來(lái)，智能設(shè)備在人工智能教育中的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間。我們可以進(jìn)一步探究如何將智能設(shè)備與生活實(shí)踐相結(jié)合，為學(xué)生提供更加高效便捷的學(xué)習(xí)路徑。這需要借鑒其他相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新成果，融入更多先進(jìn)的技術(shù)和思想，為人工智能教育的發(fā)展進(jìn)步注入更多的動(dòng)力和活力。